城市三维空间扩展的时空变化分析——以大连市金州主城区为例

(辽宁师范大学 地理科学学院 辽宁省自然地理与空间信息科学重点实验室,辽宁 大连 116029)

城市扩展是对城市空间扩张状态的最直观体现,是复杂的社会现象和发展过程[1]。城市扩展研究对有效引导和调控城市的扩张有着重要的意义[2]。随着经济的不断发展,我国城市化进程不断加快,城市外延扩展逐渐饱和,城市开始对内部用地进行重组与闲置用地开发,城市内部建筑更替速度加快,在主城区内表现得尤为明显,城市逐渐向多维方向扩展。随着城市垂向延伸不断增强,基于平面分析的城市空间扩展特征难以准确描述城市的空间变化,因此从二维、三维多方向综合研究城市空间扩展是必然趋势。

目前国内学者多使用地理信息技术研究城市空间动态扩展,多以城市平面扩展为主,研究数据主要为城市用地且研究尺度较大[3-5],以城市建筑与城市数字高程模型为基础数据,从微观尺度分析城市三维空间扩展的研究较少。城市建筑是城市最显著的特征,本文从微观尺度(单栋建筑)计算了大连市金州主城区2005年、2010年、2015年的城市重心和城市二维、三维空间扩展测度指标,研究了10年3个时相以城市建筑为主体的城市范围平面扩展和城市内部建筑更新的变化规律,分析了城市空间扩展的动态变化特征,探究了城市三维空间扩展的时空变化特征与演变规律,以期为城市规划与城市结构优化提供决策参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

金州区地处辽东半岛南部,位于大连市中部，西濒渤海，东临黄海，北靠东北腹地，地处环渤海和东北亚经济圈。金州区属低山丘陵区,地形由北向南,以小黑山至大黑山一线山脉为中心轴部,另以大黑山至大李家城山头沿黄海近岸一线山脉为东部分支轴部,向两侧倾斜,构成中部高、两翼低的阶梯状地形，分为中部低山丘陵区、东部丘陵漫岗区、沿海河流冲积小平原区3个区域。金州区属温带季风气候,兼有海洋性气候特点,四季分明、气候温和。2018年，金州区土地面积1850km2,户籍人口110万人,辖25个街道。

大连经济开发区位于金州区的东部,规划管理面积为422km2,常住人口近50万人,是我国第一个国家级经济技术开发区,也是金州区最先发展的重点建设区域,2016年成为金普新区的四大功能区之一。大连经济开发区是大连市经济增长的重要引擎,综合经济实力在辽宁省地级以上城市中位列第四。本文选取金州区中大连经济开发区的主城区(简称“金州主城区”)为研究区,包括马桥子街道和湾里街道,见图1。

1.2 研究数据

城市三维空间扩展研究主要以大连市金州主城区高分辨率的历史遥感影像、资源3号卫星影像(立体像对数据)、行政区划数据、地形数据与城市规划用地类型数据等为数据源,并结合实地建筑高度数据采集、GPS实测地面控制点等,提取了城市建筑的轮廓与占地面积、高度、体积等数据,进而建立了2005年、2010年、2015年3个时相的金州主城区的UDEM,见图2。

图1 研究区遥感影像图

图2 大连市金州主城区2005年、2010年、2015年城市数字高程模型

2 研究方法

本文选用微观尺度(单栋建筑)构建城市重心、城市建筑覆盖率与城市建筑扩展强度等指数,分析大连市金州主城区近10年来城市建筑用地利用、更新和扩张的空间变化特征,进一步研究其扩展规律及其演变趋势，以期为同类区域研究提供方法上的借鉴与参考。

2.1 城市重心模型

城市重心是描述城市在水平方向空间分布状态的重要指标[6]。基于仿质点系的力矩重心概念,选取微观尺度—单栋建筑物,以单栋建筑的占地面积为“重量”,构建城市重心模型。在均匀重力场下,某座城市中Ni(xi,yi)为第i个建筑的平面重心坐标,Ai为第i个建筑的占地面积,则城市重心G(X,Y)计算公式为:

(1)

第t1、t2年的城市重心移动距离D为:

(2)

为了便于分析城市重心转移规律,构建新的城市重心移动角度θ的计算公式为:

(3)

式中,θ为从第t2年到t1年重心转移方向从正东方向逆时针旋转的角度。

2.2 城市空间扩展测度指标

城市扩展强度指标描述城市扩展的强度与速度,是反映城市空间扩展状况的重要指标[7]。为了易于分析,将城市扩展强度分为城市扩展强度与城市扩展速度两个指标。城市建筑覆盖度是描述城市建筑分布状态的重要指标[8]。城市空间变化包括城市在水平方向和垂直方向的整体变化,基于微观尺度—单栋建筑,分别构建了城市二维空间扩展指标与城市三维空间扩展指标。

城市二维、三维空间扩展测度指标公式与意义见表1、表2。

表1 城市二维空间扩展测度指标公式与意义

表2 城市三维空间扩展测度指标公式与意义

3 空间测度指标求取与变化规律分析

3.1 城市重心转移规律分析

本文根据重心模型,计算了2005年、2010年、2015年的金州主城区城市重心,探究其变化规律。金州主城区3个时相的城市重心位置、移动距离、转移角度和扩张方向见表3，城市重心位置变化见图3。

表3 金州主城区城市重心移动距离与方向

图3 金州主城区城市重心位置变化

从表3、图3可见,2010年和2015年的金州主城区城市重心均向2005年的东北方向偏移;2010年城市重心移动距离比2015年远,但转移角度小;2010年城市重心向东北方向移动较多,2015年往回迁移与2005年城市重心靠近;2015年城市重心在2010年的西南侧,移动距离为168m。可见，金州主城区在这10年里城市重心位置变化不大,移动距离较短,先向外移动后向内迁移,城市重心总体向东北移动,变化趋势与金州主城区近10年的建筑增加方向相符。

3.2 城市空间扩展测度指标分析

本文计算了大连市金州主城区2005年、2010年、2015年3个时相的城市二维空间、三维空间变化测度指标,分析其变化特征及规律,指标计算结果见表4、表5。

表4 金州主城区城市二维空间扩展测度指标计算结果

表5 金州主城区城市三维空间扩展测度指数计算结果

从表4可见,金州主城区2005—2015年的城市建筑平面扩展强度低于2005—2010年,2010—2015年的城市建筑平面扩展强度减弱;2005—2010年的城市建筑平面扩展速度较快,2010—2015年的城市建筑平面扩展速度减缓;城市建筑平面覆盖率在这10年间不断增加,但增加幅度减小。

从表5可见,金州主城区2005—2015年的城市建筑三维空间扩展强度高于2005—2010年,2010—2015年的城市建筑三维空间扩展强度增加;2005—2015年的城市建筑三维空间扩展速度高于2005—2010年,2010—2015年的城市三维建筑空间扩展速度加快;城市建筑三维空间覆盖率在这10年间不断增加,增加幅度增大。

4 结论与讨论

4.1 结论

本文根据2005年、2010年和2015年3个时相的城市重心与城市二维空间、三维空间扩展测度指标的计算结果,分析了大连市金州主城区的城市三维空间扩展特征及规律。

根据分析指标可知:①大连市金州主城区的城市重心总体向东北方向偏移,呈现先往外再往回迁移的趋势。②城市建筑用地开发受到自然因素的约束和城市建筑用地规划的限制,金州主城区的建筑用地面积逐渐饱和,城市建筑的平面扩展强度与速度逐渐减小,但三维空间扩展强度与速度逐渐增加。③金州主城区的建筑覆盖率逐年增加,但是建筑平面覆盖率增加幅度减小,建筑三维空间覆盖率增加幅度增大。④金州主城区建筑从不断向外增加逐渐转变为城市内部建筑更新,城市建筑高度持续增加,城市建筑空间不断往垂向延伸。⑤分析金州主城区建筑空间变化特征可知,金州主城区在东北部发展较快,其平面扩展强度逐年减小,逐步转变为城市内部三维空间扩展,城市在垂直方向的扩展逐年增强,城市三维空间处于持续扩展状态。⑥从微观尺度研究城市建筑为主体的城市三维空间扩展,准确地揭示了金州主城区空间扩展的时空变化规律,较以往大尺度研究能更精准地体现城市空间扩展规律,在研究时间跨度较小的情况下仍能明显地突出城市空间变化特征。⑦随着城市化发展的不断加深,城市空间呈现向多维扩展趋势,城市二维空间扩展测度指标越来越难以测度城市空间扩展情况。而城市三维空间扩展测度指标主要测度城市垂向扩展情况,难以准确测度城市在水平方向的扩展情况。因此,从二维空间、三维空间多角度综合研究城市三维空间扩展比单方向的城市空间研究能更加准确和全面地描述城市的空间扩展特征。

4.2 讨论

本文通过对大连金州主城区建筑的扩展分析,在一定程度上揭示了金州主城区三维空间扩展的形态特征,但由于只采用了4种指标来描述城市三维空间扩展的特征，因此还存在着一定的不足。今后应进行多指标、多时序的深入分析，以探求城市三维空间扩展特征与规律。